金属-氧化物-半导体场效应管(MOS-FET)

R 'L R d // R L
gm rbe
②输入电阻
Ri
Vi
.
Rg
V 'o I 'o
R L Vs 0 ,
Ii
③输出电阻
Ro
Rd
4.1.2 共漏放大电路
共漏 共集
(1)静态分析 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGS= VG－VS= VG－IDR ID= IDSS[1－(VGS /VP)]2 VDS= VDD－IDR

反映VGS对ID的控制作用 gm=ID/VGS VDS=const (单位mS) (毫西门子)

gm可以在转 移特性曲线上求取，即曲线的斜率
(3) 安全参数 ① UBRXX——反向击穿电压 XX：GS、DS ② PDM——最大漏极功耗 由PDM= VDS ID决定 做开关管使用时目前用Ron ID2 评估
双极型三极管
噪声 较大
温度特性 受温度影响较大 输入电阻 几十到几千欧姆 静电影响 不受静电影响
场效应三极管
较小
较小，可有零温度系数点 几兆欧姆以上 易受静电影响 适宜大规模和超大规模集成
集成工艺 不易大规模集成
4.1
FET放大电路应用
双极型三极管
场效应三极管
CCCS
两点不同：
VCCS
受控源类型
③输出电阻
Ro
I 'o
V 'o I 'o
R L 0 s 0 ,V
I 'o
V 'o V 'o 1 R gm
V 'o - g m Vgs R
V 'o ＝ - Vgs
V 'o 1 R // Ro I 'o gm
4.2.1 三种组态放大电路比较
动态性能比较表:
gm rbe
分压式直流偏置电路
(2)交流分析
①电压放大倍数
g m R 'L Vo g m Vgs (R // R L ) Av Vi Vgs g m Vgs (R // R L ) 1 g m R 'L (R L R // R L )
②输入电阻
Ri Rg ( Rg1 // Rg2 )
ID=f(VGS)VDS=const
2、输出特性曲线 ID=f(VDS)VGS=const 三区：
可变电阻区（饱和区）
恒流区（放大区） 夹断区（截止区）
工作原理 1、开启沟道（当VDS=0) VGS控制沟道宽窄
0V
窄 VGS=VT （开启电压) 反型层
增强型MOS管
+
宽
当VGS＝Constant
双极型三极管
结构 NPN型
场效应管(单极型三极管)
结型耗尽型 N沟道 P沟道 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 D与S有的型号可倒置使用 多子漂移 电压输入 电压控制电流源VCCS(gm)
PNP型
C与E一般不可倒置使用 载流子 多子扩散少子漂移 输入量 控制 电流输入 电流控制电流源CCCS(β)
然而由于场效应管输入阻抗很高，栅极的感应电荷不易泻放，且二 氧化硅绝缘层很薄，栅极与衬底间的等效电容很小感应产生的少量电 荷即可形成很高的电压，容易击穿二氧化硅绝缘层而损坏管子。存放 管子时应将栅极和源极短接在一起，避免栅极悬空。进行焊接时烙铁 外壳应接地良好，防止因烙铁漏电而将管子击穿。
本文从场效应管的结构、特性出发，阐述其工作原理、应用、失效条 件、以及 Derating 测试参数、测试方法。
伏安特性曲线比较表
图示为各类场效应三极管的特性曲线 N 沟 道 绝 增 缘 强 型
栅 场 效 应 管
P 沟 道 增 强 型
绝 缘 栅 场 效 应 管
N 沟 道 耗 尽 型
P 沟 道 耗 尽 型
结 型 场 效 应 管
N 沟 道 耗 尽 型
P 沟 道 耗 尽 型
3.2 双极型和场效应型三极管的比较
VDS的 控制 作用
0
电位梯度 楔形沟道 预夹断
+
3.1.3 主要参数
(1) 直流参数
① VT——开启电压 (增强型) |VDS=const
VGS VT
时，I D 0
② IDSS——饱和漏极电流 VGS=0时所对应的最大ID ③ RGS——输入电阻 约109～1015Ω
(2) 交流参数 ① gm ——低频跨导
公式二
公式一
3.1.3
3.1.2 MOSFET工作原理与特性曲线
我们知道一般三极管是由输入的电流控 制输出的电流。但对于场效应管，其输 出电流是由输入的电压（或称场电压） 控制，可以认为输入电流极小或没有输 入电流，这使得该器件有很高的输入阻 抗，同时这也是我们称之为场效应管的 原因。 特性曲线 1、转移特性曲线
1.1.1概述
场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。这 种器件不仅兼有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点，而且还有输 入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单,存在 零温度系数工作点等优点，因而大大地扩展了它的应用范围，特别是在 大规模和超大规模集成电路由于面积仅为双极型三极管的5％，因此得 到了广泛的应用。
CE / CB / CC
CE : A v R L rbe (1 )R L CC : A v rbe (1 )R L R L CB : A v rbe
CS / CG / CD
CS : A v -g m R L g mR L CD : A v 1 g mR L CG : A v g m R L
Av
Ri
CE : R b //rbe CC : R b //[rbe (1 )R 'L ] CB : Re//[rbe /(1 )]
CE ：R c rbe + R b // R s CC ： e // R 1 β CB ： c R
CS：Rg1 // Rg2 CD：Rg+ (Rg1 // Rg2 ) CG：R//(1/gm) CS：Rd CD：R//(1/gm) CG：Rd
偏置电路
4.1.1共源放大电路
共源 共射
(1)静态分析（Q：VGS、ID、VDS）
据图可写出下列方程：
VGS= VG－VS = －ID R ID= IDSS[1－(VGS /VP)]2 VDS= VDD－ID (Rd+R) 自给式直流偏置电路
①电压放大倍数
g m Vgs (R d // R L ) -g R ' Vo m L Av Vi Vgs .
各种结构的FET均有门极、源极、漏极3个端子，将这些与双极性晶体管的各端子对应如下表所示。 根据JFET、MOSFET的通道部分的半导体是p型或是n型分别有p沟道元件，n沟道元件两种类型
双极性晶体管 集电极 基极 发射极
FET 漏极 栅极 源极
n沟道型JFET与MOSFET结构图比较
3.1.基本特性
•
3.1.1
JFET的工作原理用一句话说，就是"漏极-源极间流 经沟道的ID ，用以门极与沟道间的pn结形成的反偏 的门极电压Vgs控制ID "。更正确地说，ID 流经通 路的宽度，即沟道截面积，它是由pn结反偏的变化， 产生耗尽层扩展变化控制的缘故。 在VGS =0的非饱和区域，图3.1.2(a)表示的耗尽层的 扩展因为不很大，根据漏极-源极间所加VDS的电场， 源极区域的某些电子被漏极拉去，即从漏极向源极 有电流ID 流动。达到饱和区域后，从门极向漏极扩 展的过度层将沟道的一部分构成堵塞型，ID饱和。 将这种状态称为夹断。这意味着耗尽层将沟道的一 部分阻挡，并不是电流被切断。 在耗尽层由于没有电子、空穴的自由移动，在理想 状态下几乎具有绝缘特性，通常电流也难流动。但 是此时漏极-源极间的电场，实际上是两个耗尽层接 触漏极与门极下部附近，由于漂移电场拉去的高速 电子通过耗尽层。如图3.1.2(b)所示的那样，即便再 增加VDS ，因漂移电场的强度几乎不变产生ID 的 饱和现象。 其次，如图3.1.2(c)所示，VGS 向负的方向变化，让 VGS =VGS (off) ，此时耗尽层大致成为覆盖全区域 的状态。而且VDS 的电场大部分加到耗尽层上，将 电子拉向漂移方向的电场，只有靠近源极的很短部 分，这更使电流不能流通 3.1.2
实际的传输特性包括JFET本身的结构参数，例如沟道部分的杂质浓度和载体移动性，以致形状、 尺寸等，作为很麻烦的解析结果可导出如下公式（公式的推导略去）
公式一
作为放大器的通常用法是VGS 、VGS (off) < 0（n沟道），VGS 、VGS (off) >0（p沟道）。公 式一用起来比较困难，多用近似的公式表示如下
金属-氧化物-半导体场效应管
Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor
1.基本知识概述 2.分类、命名、标识、结构 3.基本特性 4. 应用 5.制程及工艺 6.常见失效模式及案例分析
7.Derating标准及其测试方法
1.1 MOSFET的基本知识
Ro
4.3.1目前厂内应用
近年来，金属氧化物绝缘栅场效应管的制造工艺飞速发展，使之漏源极耐压(VDS)达kV以上，漏源极 电流(IDS)达50A已不足为奇，因而被广泛用于高频功率放大和开关电路中。 主要应用于功耗较大， 输入阻抗要求较高的回路，如Power 部分开关管，电路如下图.利用栅极脉冲方波控制MOSFET的导 通和关断，以驱动变压器初级。对于场效应管，在栅极没有电压时，有前面的分析可知，在源极与 漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处于截止状态。当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管 栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于 氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中，从而形成电流，使源极和漏极之间 导通。我们也可以想象为两个N型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为他们之间搭了一座 桥梁，该桥梁的大小由栅压决定
2. 绝缘栅型IGFET ( Insulated Gate Field Effect Transistor) 也称金属氧化物半导体三极管MOSFET
（Metal Oxide Semiconductor FET） 根据Vgs＝0V时是否有导电沟道MOS管又分为： N沟道增强型 N沟道耗尽型 P沟道增强型 P沟道耗尽型 如图增强型MOS管 （N型及P型导电通道）
2.1. 分类、命名、标识、结构
2.1.1按结构分，有两类
1. 结型JFET (Junction type Field Effect Transistor) 利用半导体内的电场效应进行工作，也称为体内场效应器件。
a：JFET的概念图
b: JFET的符号 门极的箭头指向为p指向 n方向，分别表示内向为n沟道JFET，外向为p沟道JFET。
公式二 将此式就VGS 改写则得下式
公式三
若说公式二是作为JFET的解析结果推导出来的，不如说与实际的JFET的特性或者与公式一很一致 的，作为实验公式来考虑好些。图3.1.3表示式一、式二及实际的JFET的正规化传输特性，即以ID /IDSS为纵坐标，VGS /VGS (off) 为横坐标的传输特性。n沟道的JFET在VGS < 0的范围使用时，因 VGS(off) < 0，VGS /VGS(off) >0，但在图3.1.3上考虑与实际的传输特性比较方便起见，将原点向左 方向作为正方向。但在设计半导体电路时，需要使用方便且尽可能简单的近似式或实验式。
3.1.1 JFET的基本特性
• 首先，门极-源极间电压以0V时考虑（VGS =0）。在此状态下漏极-源极间电压VDS 从0V增加，漏 电流ID几乎与VDS 成比例增加，将此区域称为非饱和区（可变电阻区）。VDS 达到某值以上漏电 流ID 的变化变小，几乎达到一定值。此时的ID 称为饱和漏电流（有时也称漏电流用IDSS 表示。此 区域称为饱和导通区（恒流区）。当VDS过大则进入击穿区。 其次在漏极-源极间加一定的电压VDS (例如0.8V)，VGS 值从0开始向负方向增加ห้องสมุดไป่ตู้ID 的值从IDSS 开 始慢慢地减少，对某VGS 值ID =0。将此时的VGS 称为门极-源极间遮断电压或者截止电压，用VGS (off)或Vp表示。n沟道JFET的情况，则VGS (off) 值为负,测量实际的JFET对应ID =0的VGS 因为很困 难。因此实际应用中将达到ID =0.1～10μA 的VGS 定义为VGS (off) 的情况多些。 关于JFET为什么 表示这样的特性，用图3.1.2作以下简单的说明。